폴리머 열교환기를 사용한 냉각/재가열 시스템의
성능에 관한 연구
김진혁
†․
유성연
*․
한규현
*A Study on the Performance of Cooling/Reheating System
Using Polymer Heat Exchanger
Jin-Hyuck Kim , Seong-Yeon Yoo
*, Kyu-Hyun Han
*Key Words: Cooling/Reheating system(냉각/재가열 시스템), Polymer heat exchanger(폴리머 열교
환기), Energy saving(에너지 절약)
Abstract
In conventional air-conditioning systems, when the circulated air from the air-conditioned space pass through the cooling coil in the air-conditioning system, the air is over-cooled to eliminate the moisture as well as to decrease the temperature. The purpose of this study is to test and evaluate performance of the cooling/reheating system which can save both cooling energy and reheating energy by exchanging heat between the cooled air and reheated air. Experimental apparatus consists of fan, ducts, polymer exchangers, cooling coil, electronic auxiliary heater and data acquisition system. Two types of polymer exchanger, plate type and dimple type, made of polypropylene for cooling/reheating system are designed. Heat transfer and dehumidification characteristics of system are tested. The results show that the energy saving is up to 40% in the range of present experimented conditions, and it decreases with increasing velocity, inlet temperature and specific humidity.
1. 서 론
최근의 초고유가 시대의 도래와 기후변화협약 의 발효 등으로 인해 사회적으로 화석연료의 절 약에 대한 요구가 증가하고 있다. 우리나라와 같 이 여름철 고온 다습한 기후조건에서 실내공간에 적절한 온도와 상대습도의 공기를 공급하기 위해 서는 적정온도 이하로 냉각을 시키며, 이후 온도 조건을 맞춰주기 해서 재가열 과정이 필수적이 다. 따라서 냉각 및 재가열 에너지를 절약할 수 있는 에너지 절약형 시스템의 도입이 필요하다. †회원, 충남대 BK21 메카트로닉스사업단 E-mail : [email protected] TEL : (042)821-7622 FAX : (042)821-8894 * 충남대 BK21 메카트로닉스 사업단 폴리머 열교환기를 사용한 냉각/재가열 시스템 은 여름철 제습 공기조화 시스템의과정 중 냉각 과 재가열 과정에서 고온의 시스템 입구 공기와 냉각이 이루어진 공기간의 열교환을 통해서 냉각 과 재가열에 필요한 에너지 모두를 절약할 수 있 는 매우 효과적인 장치이다. 폴리머를 사용한 열교환기는 알루미늄과 같은 다른 현열교환기재료에 비해 낮은 열전도도를 갖 지만 표면에 각종 열전달 촉진체를 설치함으로써 고효율의 열교환기를 얻을 수 있다. Yoo 등(1)은 열전달 촉진 기법으로 물결형, 딤플형 및 사각기 둥형의 리브를 부착한 난류촉진형 열교환기를 설 계하여 제작하고 성능평가를 수행하여 각각의 열 교환기에 대한 열전달 특성 및 압력 손실에 관한 성능을 비교, 검토하였다. Afansayev 등(2)은 평판 에 얕은 딤플(δ/D=0.067)을 설치하여 열전달 성 능과 압력손실에 관하여 연구하였으며, 의미 있 대한기계학회 2008년도 추계학술대회 논문집는(30~40%) 열전달의 향상과 함께 압력손실이 커 진다는 것을 알았다. Elyyan 등(3)은 두 가지 다른 형태의 딤플형태를 통해 특정한 레이놀즈 수 범 위의(Re=200~15,000) 수치해석을 통해 층류, 천이 영역, 난류영역 각각의 열유동을 해석하였다. 열교환기의 냉각/제습조건에서의 성능에 관한 연구로써, Pirompugd 등(4)은 제습조건에서 핀-튜 브 열교환기의 열 및 물질전달 특성을 계산할 수 있는 상관식을 제시하고 실험결과와 비교하였다. Saman and Alizadeh(5)는 전열막으로 딤플형상이 삽입된 플라스틱을 사용한 열교환기의 실험을 통 해 얻은 제습효율, 물질전달량, 열전달량 등으로 부터 플라스틱 열교환기의 냉각/제습성능에 대해 알아보았으며, 이론적 해석 결과와 비교하였다. 에너지 절약형 냉각/재가열 시스템은 본 연구 에서 제안한 현열교환기를 사용한 경우와 응축기 의 응축열을 사용한 경우, 전열교환기를 사용한 경우 등 여러 가지 장치를 사용한 시스템에 관한 연구가 진행되었다. Zhang(6) 은 제습 공기조화 시 스템에서 에너지를 절약할 수 있는 서로 다른 4 가지 시스템에 대하여 중국 남쪽 지방의 특정건 물의 연간 에너지 사용과 절약효과를 해석적인 방법을 통해 알아보았으며, 현열교환기 등 에너 지 절약을 위한 추가적인 장치를 설치하였을 때 기존시스템보다 약 30% 이상의 에너지를 절약할 수 있다는 것을 밝혔다. Chua 등(7)은 부분부하변 동 조건에 대해서 일정한 실내 상대습도 유지를 위해 냉각수 유량, 바이패스 비, 풍량, run-around 코일제어 등의 방법을 성능시험과 해석을 통해 실내조건을 얼마나 유지하며 각각 에너지 소비경 향을 비교, 분석하였다. Kim 등(8)은 부하변동에 대한 바이패스 공조 시스템의 특성을 알아보기 위해서 실현열비가 특정범위 내에서(SHF=0.7~0.9) 변화하는 동안 실내 조건의 변화를 알아보았다. 본 연구에서는 폴리머 열교환기를 사용한 냉각 /재가열 시스템의 입구의 온도, 비습도와 열교환 기를 통과하는 면풍속이 변화할 때의 성능변화 특성과 에너지 절감효과에 대해서 알아보고자 한 다.
2. 폴리머 열교환기를 사용한
냉각/재가열 시스템
적절한 공기조화 장치는 입구조건과 속도 변화Fig. 1 Schematic of cooling/reheating system. 와 같은 작동변수의 변화에 대해서 일정한 요구 값에 해당하는 출구조건을 유지하여야 한다. 따 라서 본 연구에서는 시스템의 최종 조건을 만족 시키기 위해서 보조적인 재가열 장치를 사용한 시스템을 구성하였다. Fig. 1은 본 연구에서 사용한 냉각/재가열 시스 템의 개략도를 보여준다. 입구의 고온 다습한 공 기와 냉각코일을 통과한 저온의 공기가 폴리머 열교환기를 통해 열교환이 이루어져 고온의 공기 는 1차로 냉각과 제습이 진행되며, 저온의 공기 는 재가열 된다. 이때, 적정 온도로 시스템의 제 어하기 위해 출구부에 보조적인 전기 히터를 설 치하여 원하는 조건을 만족시킬 수 있다. 시스템의 냉각과 제습 그리고 재가열 과정을 습공기선도상에 나타낸 Fig. 2에서 보았을 때, 실 내순환공기와 외부 공기가 섞인 고온 다습한 1번 상태(Hot In)의 습공기는 폴리머 열교환기에 유입 되어 고온 유체를 형성하며, 냉각코일을 지난 후 의 저온 유체와의 열교환을 통해 1차 냉각/제습 이 되어 2번 상태(Hot Out)에 이른다. 포화상태에
도달한 경우 냉각코일을 통한 냉각/제습 과정은 포화 수증기선에 근접하여 필요한 정도만큼 진행 된 후 3번 상태(Cold In)에 이른다. 또한 열교환 기를 지난 후의 공기의 상태가 충분히 저온에 이 르지 못한 경우에는 냉각코일을 통해 일단 포화 수증기선에 접근할 정도에 해당하는 만큼의 냉각 이 이루어 진 후, 포화수증기선에 근접하여 제습 과 냉각 과정이 진행되어 3번 상태에 도달한다. 이후 제습을 위해 실내의 공급 적정온도 이하로 냉각과정이 진행되었기 때문에 재가열을 통해 온 도를 상승시켜야 하므로 폴리머 열교환기로 다시 유입되어 1번상태의 고온유체와 열교환을 통해 온도가 상승되어 4번 상태(Cold Out)에 이른다. 4 번 상태의 온도가 실내 공급적정온도에 미치지 못할 경우에는 온도를 더 높여주어야 하기 때문 에 보조 재가열 전기히터를 통과하게 되고 이후 실내에 유입될 수 있는 적절한 온도와 습도를 지 닌 설정값인 5번 상태(Final)에 도달한다.
3. 성능시험장치 및 성능시험방법
Fig. 3은 냉각/재가열 장치의 성능시험을 위해 본 연구에서 설계, 제작한 성능시험장치의 개략 도를 보여주며, 폴리머 열교환기, 온습도계, 전기 히터, 냉각코일, 덕트, 휀, 열전대, 자료획득장치, 컴퓨터 등으로 구성된다. 입구조건설정용 전기히 터가 설치되었으며, 냉각 및 제습을 담당하기 위 해 냉동기에 6열의 냉각코일이 연결되었다. 또한 충분한 재가열이 이루어 지지 않았을 때,1: electric heater 2: humidifier 3: temperature & humidity sensor 4: polymer heat exchanger 5: cooling coil 6: damper 7: auxiliary heater 8: fan
9: data acquisition system 10: computer Fig. 3 Schematic of test apparatus.
(a) plate type (b) dimple type Fig. 4 Photo of polymer heat exchanger. 보조 전기히터를 작동시켜 나머지를 담당하도 록 하였다. 휀은 흡입 방향으로 설치하였으며, 덕 트는 유동 마찰의 절감과 가시성을 고려하여 아 크릴로 설치하였고 단열재를 부착하고 성능시험 하였다. 성능시험은 입구의 온도, 비습도, 속도 변화에 대해 실시하였다. 입구 온도는 28o C, 비습도는 0.016kg/kg, 속도는 2 m/s를 기준으로 나머지 조 건을 고정하고 한 가지 조건을 변화시켰다. 냉각/ 재가열 장치가 정상상태에 이를 수 있도록 충분 한 시간을 작동시킨 후 최종 2분간의 측정 데이 터를 평균하여 사용하였으며, 측정값을 습공기선 도를 사용하여 상대습도, 절대습도, 엔탈피 등으 로 환산하였다. 이로부터 냉각/재가열 장치의 각 부분을 통한 열전달량과 에너지 절약률을 계산하 여 장치의 성능을 평가 하였으며, 이론적 계산 결과와 비교하였다. 본 연구에서 사용한 폴리머 열교환기의 사진을 Fig. 4에 나타냈다. 평판형은 평판에 아무런 조작 을 하지 않은 일반 폴리프로필렌 소재를 사용하 여, 전열면 조작을 통한 성능향상을 알아보기 위 한 기준모델이다. 딤플형 열교환기는 표면에 반 지름 1mm, 4mm의 반구형상의 딤플을 엇갈림 배 치한 형태의 모델이다. 작은 딤플은 층류경계층 의 차단과 와류를 촉진하고, 큰 딤플은 와류와 난류의 발생을 촉진하여 대류열전달을 향상시킬 수 있다. 딤플형 열교환기의 열전달 성능향상 효과를 알 아보기 위해 열교환기의 속도의 변화에 대한 유 용도를 나타낸 Fig. 5의 결과를 보면 열교환기를 통과하는 면속도의 증가에 대해 유용도는 감소하 는 경향을 보여준다. 딤플형 열교환기가 평판형 열교환기에 비해 2.8m/s를 기준으로 약 20% 정도 높은 유용도를 보여, 난류촉진과 와류형성에 의
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
dim ple type plate type E ff e c tiv en es s Velocity (m/s)
Fig. 5 Variation of effectiveness at increasing velocities. 해 더 높은 열전달 성능을 나타낸다.
4. 성능시험 결과 및 고찰
시스템의 입구 온도의 변화에 대한 시스템의 온도와 상대습도 분포를 Fig. 6에 나타냈다. 이때, 열교환기를 기준으로 하여 Fig. 3의 그림에서 보 았을 때 Hot In은 1번, Hot Out은 2번, Cold In은 3번, Cold Out는 4번, Final은 최종상태인 5번 상 태를 각각 나타낸다. 입구의 고온공기는 열교환 기를 통해 1차 냉각되고 냉각코일을 통과하면서 완전 냉각이 이루어진다. 이후 열교환기를 통과 하면서 온도가 상당히 올라가는 것을 알 수 있으 며, 이후 실내공급적정 온도인 19o C까지 추가적 인 재가열이 진행되는 것을 알 수 있다. 냉각코일 후단의 거의 일정한 반면에, 입구 온 25 26 27 28 29 30 31 5 10 15 20 25 30 35 Hot In Hot Out Cold In Cold Out Final T e mpe rat ure ( oC ) Inlet temperature (o C) 25 26 27 28 29 30 31 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Hot In Hot Out Cold In Cold Out Final R e la tiv e h u midity ( % ) Inlet temperature (o C) 25 26 27 28 29 30 31 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Qhot Q cold Q coil Qreheat He at tr a n sf er r a te (W) Inlet temperature (o C) 도 상승에 의해 최대 가능한 열전달의 범위가 커 Fig. 7은 시스템의 상대습도 분포를 나타낸다. 열교환기를 통과하면서 온도가 포화상태이하로 냉각되므로 상대습도는 100%에 도달하여야 하지 만, 실제로 열교환기 판의 온도 분포가 일정하지 않기 때문에 일부공기는 제습조건에 도달하지 못 해서 고온 출구의 상대습도는 이보다 약간 낮은 것을 알 수 있다. 또한 입구의 온도가 높아지면 서 열교환기를 통한 1차 냉각에 의해 제습 가능 한 온도에 도달하지 못하기 때문에 상대습도가 낮아지는 것으로 나타났다. 최종 상태의 상대습 도는 낮은 온도에서는 설정한 값보다 다소 높았 다가 온도가 높아지면서 점차 감소한다.25 26 27 28 29 30 31 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 E n erg y savi n g Inlet temperature (o C) 냉각코일을 통한 열전달량은 다음과 같은 식으 로 주어지며, Fig. 8은 입구온도 증가에 대한 열 전달량의 변화를 나타내고 있다.
× (1)
× (2)
× (3)
× (4) 이때, 하첨자 h는 열교환기의 고온측, co는 냉 각코일, c는 열교환기의 저온측, re는 보조 전기 히터를 통한 재가열을 나타낸다. 온도가 높을수록 필요한 냉각용량이 증가하기 때문에 냉각코일을 통한 열전달량이 증가하는 것 을 알 수 있다. 열교환기를 통한 열전달량은 고 온 유체입구의 온도가 높아지면서 증가하는 경향 을 보여준다. 보조 재가열 히터를 통한 열전달량 은 온도가 상승하면서 열교환기의 출구 온도가 높아지기 때문에 필요용량이 줄어들어야 하지만 실제 성능시험에서는 열교환기를 통해서 저온 유 체의 재가열이 충분히 이루어지지 않았기 때문에 재가열 열전달량이 뚜렷하게 감소하지 않았다. 시스템의 전체 열전달량과 폴리머 열교환기에 의한 열전달의 비부터 열교환기를 사용함으로서 얻을 수 있는 에너지 절감을 아래의 식과 같이 정의할 수 있으며, Fig. 9는 입구온도의 증가에 대한 시스템의 에너지 절감을 나타낸다. (5) 시스템의 입구온도가 높아지면 고온유체와 저 온유체의 온도차이가 커지면서 열교환기를 통한 열전달이 증가하기 때문에, 냉각코일의 용량이 증가함에도 불구하고 에너지 절감은 온도의 증가 에 대해서 증가하는 경향을 보인다. Fig, 10은 시스템의 입구 비습도가 증가함에 따 른 열전달량과 에너지점감을 나타낸다. 냉각코일 을 통한 열전달양은 시스템 입구 비습도가 높아 지면서 제습 요구량의 증가에 따라서 점차 증가 하는 경향을 보인다. 열교환기를 통한 열전달의 경우 최대열전달 가능범위가 줄어들면서 점차 감 소하는 경향을 보여준다. 보조 재가열 열전달의 0.010 0.012 0.014 0.016 0.018 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Qcold Qhot Qcoil Qreheat Heat transfer rate (W )Inlet specific humidity (kg/kg)
Energy Savi ng E.S. 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Qcold Qhot Qcoil Qreheat Heat transfer rate (W ) Velocity (m/s) E.S. Energy Savi ng
경우 비습도가 높아지면서 저온유체의 출구 온 도가 높아지기 때문에 필요한 정도가 감소하며, 특정조건 이상에서는 열교환기를 통과한 후의 온 도가 설정조건 이상에 도달하므로, 전혀 필요하 지 않은 것으로 나타났다. 이러한 결과를 토대로 시스템 입구의 비습도 증가에 따른 에너지 절감 을 알아보면 비습도가 증가하면서 점차 감소하는 경향을 보여준다. 열교환기를 통과하는 공기의 면속도의 변화에 대한 시스템의 성능을 Fig. 11에 나타냈다. 속도 가 증가하면서 냉각코일을 통한 열전달량은 선형 적으로 증가하는 것과 달리 열교환기를 통한 열 전달량은 점차 증가폭이 줄어드는 경향을 보여준 다. 속도의 증가에 따른 열교환기의 유용도 감소 가 나타났기 때문이며, 냉각 용량을 불출분에 따 라서 저온 입구의 온도가 일정하게 유지되지 못 하고 높아져 열전달 가능 폭이 줄어들었기 때문 이다. 또한 재가열 코일을 통한 열전달이 속도의 증가에 따라서 증가하기 때문에 에너지 절감이 속도에 따라서 감소하는 것을 알 수 있다.
5. 결론
(1) 폴리머 열교환기를 사용한 냉각/재가열 시 스템을 통해 시스템 입구의 온도와 비습도가 변 해도 적정공급조건에 도달한다. (2) 시스템의 입구조건과 풍량에 따라서 에너지 절감효과는 달라지며, 본 연구에서 실험한 범위 내에서 최소 30%에서 최대 50%의 에너지 절감효 과가 나타나는 것을 알 수 있다. (3) 시스템의 입구의 온도가 높아지면 에너지 절감은 증가하며, 입구의 비습도가 높아지면 감 소하는 경향을 보인다. (4) 열교환기를 통과하는 공기의 속도가 빠를수 록 에너지 절감은 감소한다.후 기
본 연구는 교육과학기술부와 한국산업기술재단 의 지역혁신인력양성사업의 일부로 수행된 연구 결과이다.참고문헌
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